Se presenta un protocolo para la fabricación de nanobatteries electroquímicamente activo LiPON basado en estado sólido de iones de litio con una viga de ion enfocada.
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Se presenta un protocolo para la fabricación de nanobatteries electroquímicamente activo LiPON basado en estado sólido de iones de litio con una viga de ion enfocada.
Estado sólidos electrólitos son un reemplazo prometedor para electrólitos líquidos orgánicos actuales, lo que permite mayores densidades de energía y mejora de la seguridad de las baterías de iones de litio (Li-ion). Sin embargo, un número de reveses impiden su integración en dispositivos comerciales. El principal factor limitante es debido a los fenómenos de nanoescala que ocurren en los interfaces del electrodo/del electrólito, en última instancia conduce a la degradación del funcionamiento por batería. Estos problemas son muy difíciles de observar y caracterizar como estas baterías contienen múltiples interfaces enterradas. Una observación directa de fenómenos interfaciales en las baterías de película fina es a través de la fabricación de nanobatteries electroquímicamente activa por un haz de iones enfocado (FIB). Por lo tanto, una técnica confiable para la fabricación de nanobatteries fue desarrollada y demostrada en trabajos recientes. En este documento, se presenta un protocolo detallado con un proceso paso a paso para habilitar la reproducción de este proceso de fabricación de nanobattery. En particular, esta técnica se aplicó a una batería de película fina de LiCoO2/LiPON/a-Si y además se ha demostrado previamente en situ ciclismo dentro de un microscopio electrónico de transmisión.
Centrado ion vigas (FIB) se han utilizado principalmente para preparación de muestras de microscopía electrónica (TEM) de transmisión y circuito edición1,2. Nanofabricación usando FIB ha progresado significativamente durante las últimas dos décadas con mucho foco en semiconductor materiales3. A pesar de su importancia a los avances científicos, siendo principales preocupaciones con las técnicas de la FIB, incluyendo daños en la superficie, la deposición y farfulla preferencial debido a la alta densidad de corriente de4,5. Ha habido varios artículos sobre materiales dañinos FIB durante la preparación de muestras TEM y varios métodos para reducir estos daños han propuesto6,7,8,9. Sin embargo, FIB fabricación de dispositivos activos que consisten en varias capas con diferente funcionalidad es todavía limitada.
Para dispositivos de estado sólidos, especialmente en el campo de almacenamiento de energía, interfaces desempeñan un papel crucial, y la interfaz sólido-sólido se ve más a menudo como fuente dominante de impedancia10. Estas interfaces son particularmente difíciles de caracterizar, debido a una combinación de su naturaleza enterrado y convolución de datos en presencia de varias interfaces en un solo dispositivo. La fabricación de nanobatteries totalmente estado sólido es fundamental para probar y entender la naturaleza dinámica de estas interfaces, que en definitiva impactan en los procesos electroquímicos en las baterías. Las baterías de película delgada basadas en litio oxinitruro de fósforo (LiPON) se demostraron hace más de dos décadas y son comercializados en la actualidad11. Aunque fabricación de FIB de nanobatteries electroquímicamente activo con una batería de película fina es fundamental para permitir la evaluación en situ de interfaces, la mayoría de los intentos para fabricar nanobatteries con falla FIB para retener actividad electroquímica debido a el cortocircuito12. Inicial de intentos en in situ bicicleta adelgaza sólo una pequeña porción de nanobattery, observar la distribución de litio por holografía de electrones13.
Trabajo más reciente ha demostrado la exitosa fabricación de FIB de nanobatteries electroquímicamente activo, lo que permitió tanto ex situ como en situ análisis de microscopía electrónica de transmisión (madre) y electrón energía pérdida () espectroscopia Caracterización de las anguilas) fenómeno interfacial14,15. Parámetros importantes de la fabricación de FIB que ayudan a conservar la actividad electroquímica se han indicado por Santhanagopalan et al. 14y un protocolo detallado se presenta en este manuscrito. Este procedimiento se basa en una batería modelo LiCoO2/LiPON/a-Si, pero en última instancia permitirá la exploración de más química de la batería de película fina.
1. preparación de la muestra y sistema de
2. extracción de la Nanobattery
3. limpieza y ciclismo la Nanobattery
Un representante de estado sólido del Li-ion nanobattery proceso de fabricación se muestra paso a paso en el protocolo hace referencia a las figuras 1-7.
La figura 8 muestra en situ pruebas de los perfiles de carga electroquímicos de dos células que fueron fabricados. Ambos perfiles muestran claramente una meseta V 3.6 corresponde a la LiCoO2-Si célula completo química y oxidación de Co3 + → Co4 +. Celular-1 (figura 8a) fue probada en una densidad de corriente baja (50 μA/cm2) limitando la capacidad de carga de 12.5 µAh/cm2. Célula-2 (figura 8b) presenta un perfil de carga en una mayor densidad de corriente, 1.25 mA/cm2, que fue limitada por la tensión de corte superior de 4.2 V. La capacidad registrada fue de 105 µAh/cm2, cerca de la capacidad teórica de célula-2 (110-120 µAh/cm2). La primera capacidad de la descarga de la nanobatteries ha sido pobre, mientras que las capacidades del ciclo posterior (carga y descarga) fueron limitadas debido a la irreversibilidad de ciclo de primera. El proceso de descarga de nanobatteries aún no está optimizado, sin embargo, un perfil representativo de la carga y descarga en una densidad de corriente de 60 μA/cm2 se presenta en la figura 9. La capacidad de carga se limitó a 30 min y la descarga se limita a 2 V, y es evidente que la reversibilidad es alrededor del 35%. Aunque la reversibilidad es mucho mejor que lo que se divulga en la literatura14, más la optimización es necesaria.
Si el perfil de voltaje no es constante con la química de la batería de película fina, esto es probablemente debido a cualquier daño de rayo o cortocircuito de material depositado nuevamente. La figura 10 muestra un perfil de voltaje constante con cortocircuito donde el voltaje es constante y proporcional a la corriente aplicada. La imagen de la viga de ion confirma que no existe material depositado nuevamente en el borde. Deben quitarse las amalgamas dentales y se necesitan más pasos limpieza transversales para eliminar este material. Este procedimiento de limpieza disminuye la sección transversal de nanobattery, por lo que la densidad de corriente debe ser corregida en consecuencia.

Figura 1 : Esquema de conexión eléctrica. Un potenciostato está conectado a la FIB nanobattery vía conexiones externas: 1) el terminal negativo de la potenciostato a tierra desconectada de la aguja del instrumental quirúrgico; 2) el lado del cátodo en un paso vacío eléctricamente blindado o una conexión directa a la tierra de la etapa como un circuito de alarma toque (se muestra). Se hacen las conexiones internas entre la punta de las amalgamas dentales y el ánodo y entre el cátodo y el escenario a través de una rejilla de extracción de cobre TEM. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2 : Deposición de Pt. Imagen de SEM de la tapa Pt depositada en la superficie de la batería de película fina para evitar el daño y hacer contacto. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3 : Sección de Nanobattery. Imágenes de SEM de la laminilla de nanobattery después del corte transversal (a) vista de la sección transversal de 52 ° y la vista superior (b) y 0 °. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4 : Nanobattery liftout. Imágenes de la viga de ion de (a) la laminilla con un corte bajo y (b) extracción de nanobattery aislado por el micromanipulador. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5 : Nanobattery montaje. (a) viga de Ion) y (b) imagen de SEM de la soldadura la nanobattery levantada a la rejilla de cobre met. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6 : Limpieza de Nanobattery. Imágenes de la viga de ion de (a) una de las secciones de nanobattery, (b) conectar eléctricamente el colector actual rejilla y el cátodo por la deposición de Pt, (c) corte para aislar el ánodo de la rejilla de TEM y (d) limpieza de limpieza el sección transversal de la frente, parte posterior y los lados para quitar todo material depositado nuevamente. Se hace el contacto final hacia el ánodo con el micromanipulador para polarización. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 7 : Daño de Nanobattery. Imágenes de SEM de una muestra representativa de nanobattery con (a) buen estado capa LiPON y (b) la proyección de imagen en mayor magnificación inducida por daño en la capa de LiPON indicado por el círculo de. Moran alto haz de electrones de tiempo produce cambios visibles en el LiPON electrolito la proyección de imagen. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 8 : Nanobattery carga datos. FIB fabrica nanobattery carga electroquímica perfil en diferentes densidades de corriente ( a) la capacidad se limita a µAh 12.5cm2 y (b) la tensión se limita a un corte de V 4.2. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 9 : Perfil ciclismo Nanobattery. FIB fabrica nanobattery electroquímico carga y descarga de perfiles en una densidad de corriente de 60 μA/cm2. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 10 : Cortocircuito nanobattery. (a) Perfil de voltaje de un nanobattery que no había sido limpiados adecuadamente dando como resultado un cortocircuito de material depositado a y (b) la imagen de la viga de ion seccional cruzada. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Como lo demuestran nuestros resultados, la técnica descrita produce nanobatteries electroquímicamente activo levantadas de una batería más grande de la película delgada. Estas técnicas han permitido caracterización de vástago/anguilas tanto en situ como ex situ de las interfaces enterradas por galvanostatically la nanobattery de polarización. Esto permite la caracterización de alta resolución sin precedentes de fenómenos químicos cuantitativos relacionados con el estado electroquímico de la carga. Sin embargo, para lograr estos resultados, debe superar una serie de obstáculos específicos.
Antes de comenzar el proceso de la FIB, se realizará pruebas de corriente constante para asegurarse de que existe una vía eléctrica de bajo nivel de ruido para el cátodo y el ánodo de la nanobattery. Lado del cátodo la prueba puede realizarse con la cámara FIB con ventilación. Antes de bombear hacia abajo de la cámara para la fabricación de nanobattery, el terminal positivo se debe conectar como si realizar el experimento (ya sea a través de un terreno vacío de paso o etapa), y el polo negativo conectado directamente a la etapa. Tenga en cuenta que si utiliza la alarma de tacto como una conexión de la etapa, la capacidad de alarma toque del instrumento puede ser desactivada, y la conexión debe hacerse sólo cuando no hay más inclinación de la etapa es necesaria. Sin embargo, aquí la prueba requerirá el sistema de bajo vacío, y la corriente pasará a través de las amalgamas dentales y el circuito de la etapa. El instrumental quirúrgico puede respetarse eléctricamente con Pt la rejilla de cobre para las pruebas de ruido actual constante. Si persisten los problemas de resolución actual, póngase en contacto con su proveedor para obtener información sobre cómo separar la etapa de la tierra del sistema.
Para que esta técnica de trabajo, es fundamental utilizar las especificaciones de la viga de ion proporcionado para minimizar el daño a la LiPON electrolito sólido. LiPON es altamente sensible a la exposición prolongada a condiciones atmosféricas (i) húmedas, haz de electrones (ii) y vigas (iii) ion. Por lo tanto, el proceso de fabricación de nanobattery estado sólido requiere la minimización de la exposición a los tres de estas condiciones. Pre- y post-fabricación exposición a condiciones atmosféricas debe ser absolutamente minimizada. El en situ FIB ciclismo proceso descrito fue desarrollado como una solución para minimizar esta exposición. Durante y después de la fabricación, haz de electrones la proyección de imagen debe limitarse, que daña el electrolito sólido. Del mismo modo, la viga de ion la proyección de imagen también debe ser limitada para evitar la degradación de los electrolitos y otros componentes activos así. Los archivos de fresado específicos y tiempos están basados en los equipos indicados en la tabla de materiales y equipos de reactivos específicos, equipos y fabricantes; Esto puede variar entre instrumentos de la FIB, y modificaciones pueden ser necesarias utilizar otro instrumento.
De todos los parámetros en la fabricación de la FIB de una nanobattery, las consideraciones más importantes son el uso de viga baja de la corriente y tiempo de permanencia para minimizar daños14. Cuando sea necesario, la proyección de imagen se realiza con electrones en tiempos de permanencia bajo pixel y con las vigas de iones de baja corriente de rayo (en pA) y tiempo de permanencia bajo (100 ns). Mayoría de las veces, alto morar haz de electrones de tiempo produce cambios visibles en el LiPON electrolito la proyección de imagen. Figura 7 una muestra de un flamante LiPON y otras imágenes con un haz de electrones induce daño a la capa de LiPON como se muestra en la figura 7b. Este daño es irreversible resultando en un cambio de contraste y hará que el nanobattery electroquímicamente inactivo.
Además, ciclismo electroquímico, adecuada debe tener cuidado para hacer contacto eléctrico entre el colector corriente de cátodo y la rejilla correctamente (figura 6b). Es igualmente importante mantener el contacto instrumental quirúrgico al ánodo (figura 6); como se ve en la figura 8una, en alrededor de 150 s, un pico en los datos electroquímicos corresponde a un problema de vibración inducida por contacto con el ánodo. Dado el potencial para la inestabilidad del contacto del ánodo de amalgamas dentales, la en situ , el examen se reduce al mínimo limitando la capacidad de nanobattery, a su vez reduciendo el tiempo de carga.
Si el perfil de voltaje no es constante con la batería de película fina, se repite el procedimiento de limpieza como hay probablemente algunos la deposición causando problemas de cortocircuitos (figura 10). El paso de aislamiento de ánodo en particular es una gran fuente de material depositado nuevamente. Este procedimiento de limpieza disminuye la sección transversal de nanobattery, por lo que la densidad de corriente debe ser corregida en consecuencia. Cabe señalar que daño de la viga de ion no puede evitarse totalmente y se limita a entre unos pocos nm hasta un máximo de 25 nm en la superficie, calculada de simulaciones de dispersión de iones SRIM programa para 30 keV Ga+ en el electrodo de materiales18. Procesamiento de baja energía puede reducir el daño a una gran parte19. El proceso FIB demostraron aquí es única, y fabricación, manipulación y en situ pruebas de nanodispositivos es activado por los sistemas de doble haz de FIB-SEM. Es posible extender el proceso a cualquier otros químicos de la batería y otros dispositivos a nanoescala.
Es importante tener en cuenta que los parámetros específicos en este Protocolo no pueden transferir directamente a sistemas electroquímicos alternativos. LiPON fue determinada para ser sensibles a los efectos térmicos de la viga de ion bajo altas tasas de exploración. Sin embargo, otros electrolitos pueden sufrir otras sensibilidades. Del mismo modo, aunque el sistema material probado en el presente Protocolo mostraron buena electroquímica después de moler de ion Ga+ , otros sistemas materiales pueden ser más susceptibles a la implantación y rezagarse ion. Como tal, más exploración del espacio de parámetros puede ser necesaria para los sistemas de material alternativos. Los materiales más sensibles tales como sulfuros pueden realizar mal después de moler de ion, aunque esta área de investigación es en gran parte inexplorada con técnicas avanzadas de caracterización. Siendo realistas, estos parámetros se traducirán a sistemas más materiales de interés, como electrolitos sólidos modernos son generalmente cristalino y más robusta que LiPON. A pesar de estas potenciales limitaciones, la técnica se aplicará a los nuevos sistemas materiales, ofrecen la posibilidad de descubrir alternativos fenómenos interfaciales, en última instancia, descubrir mecanismos de impedancia. Continuación natural de esta técnica es la observación de ciclismo electroquímico en la TEM. Esto ha llevado a cabo en el sistema descrito en el presente Protocolo y descubierto comportamiento nunca antes visto en estas interfaces. Esta técnica permite la observación de formas alternas de impedancia.
No tenemos nada que revelar.
Los autores reconocen el apoyo para el desarrollo de las baterías del todo-sólido-estado financiero y en situ FIB y TEM titular desarrollo Departamento de energía de Estados Unidos, oficina de Ciencias de energía básicas, en Premio DE número-SC0002357. La colaboración con los laboratorios nacionales es posible con apoyo parcial del noreste centro para el almacenamiento de energía química, un centro de investigación de frontera energética financiada por el Departamento de energía de Estados Unidos, oficina de ciencias básicas de energía bajo el premio número DE SC0001294. Esta investigación utilizó los recursos del centro para los nanomateriales funcionales, que es una DOE de los Estados Unidos Oficina de la ciencia, laboratorio nacional de Brookhaven bajo contrato no. DE-SC0012704. Este trabajo fue realizado en parte en la infraestructura San Diego de la nanotecnología (SDNI), miembro de la nanotecnología nacional infraestructura coordinada, que es apoyado por la National Science Foundation (Grant ECCS-1542148). Trabajo FIB fue realizado en parte en la UC Irvine materiales investigación Instituto (IMRI), utilizando instrumentación financiado en parte por el Centro Nacional de la Fundación Ciencia para la química en el límite del espacio-tiempo (-082913). Agradecemos a Nancy Dudney, Oak Ridge National Laboratory por facilitarnos las baterías de película delgada. J.L. reconoce apoyo del programa de becas de Eugene Cota Robles y D.S es agradecido a Serbia, India para la beca de Ramanujan (SB/S2/RJN-100/2014).
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
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| Pasta de plata coloidal PELCO, conductora | Ted Pella, Inc. | 16032 | O equivalente |
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